Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Fragen geben könnten. Untersuchungen der dunklen Materie stehen an der Spitze der Schnittstelle zwischen der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie. Die Wechselwirkungen der dunklen Materie mit gewöhnlicher Materie – Materie, aus der wir Detektoren bauen können – sind äußerst schwach, so schwach, dass wir neben ihren Gravitationswirkungen immer noch nach Belegen für dunkle Materie suchen.
    Gegenwärtige Forschungen beruhen daher auf dem unbewiesenen Glauben, dass dunkle Materie trotz ihrer nahezu vollständigen Unsichtbarkeit dennoch mit bekannter Materie schwach wechselwirkt – aber nicht unendlich schwach. Das ist nicht bloß frommes Wunschdenken. Es beruht auf der oben erwähnten Berechnung, die zeigt, dass stabile Teilchen, deren Wechselwirkungen mit der Energieskala verknüpft sind, die der LHC erforschen wird, die richtige Dichte haben, um dunkle Materie zu sein. Auch wenn wir die dunkle Materie noch nicht identifiziert haben, hoffen wir, dass unsere Chancen gut stehen, sie in naher Zukunft aufzuspüren.
    Allerdings finden die meisten Experimente der Kosmologie nicht in Beschleunigern statt. Bestimmte in das Weltall blickende Experimente auf der Erde und im Weltraum sind hauptsächlich dafür verantwortlich, unser Verständnis möglicher Lösungen kosmologischer Fragen zu erforschen und weiterzubringen.
    Beispielsweise haben Astrophysiker Satelliten in den Weltraum geschickt, um das Universum von einer Umgebung aus zu beobachten, die nicht durch Staub und physikalische und chemische Prozesse auf oder nahe der Erdoberfläche beeinträchtigt werden. Teleskope und Experimente hier auf der Erde vermitteln uns zusätzliche Einblicke in eine Umgebung, zu der wir einen unmittelbareren Zugriff haben. Diese Experimente im Weltraum und auf der Erde stehen bereit, um ein Licht auf viele Aspekte der Entwicklung des Universums zu werfen.
    Wir hoffen, dass ein hinreichend starkes Signal in irgendeinem dieser Experimente (die wir in Kapitel 21 beschreiben werden) uns die Geheimnisse der dunklen Materie entschlüsseln lässt. Diese Experimente könnten uns Aufschluss über die Natur dunkler Materie geben und über ihre Wechselwirkungen und Masse aufklären. Unterdessen denken Theoretiker angestrengt über alle möglichen Modelle dunkler Materie nach und darüber, wie sie alle diese Aufspürstrategien einsetzen können, um zu erfahren, was dunkle Materie wirklich ist.
    Dunkle Energie
    Gewöhnliche Materie und dunkle Materie kommen immer noch nicht für die Gesamtsumme der Energie im Universum auf – gemeinsam machen sie nur annähernd 30 Prozent davon aus. Noch geheimnisvoller als dunkle Materie ist die Substanz, die die verbleibenden 73 Prozent ausmacht und die als dunkle Energie bezeichnet wird.
    Die Entdeckung dunkler Energie war der stärkste Weckruf in der Physik des späten 20. Jahrhunderts. Obwohl wir vieles über die Entwicklung des Universums noch nicht wissen, besitzen wir ein beeindruckend erfolgreiches Verständnis der Entwicklung des Universums, das auf der sogenannten Urknalltheorie beruht, die durch die Annahme einer Periode exponentieller Expansion des Universums ergänzt wird – der kosmologischen Inflation.
    Diese Theorie stimmt mit einer ganzen Bandbreite von Beobachtungen überein, u.a. mit Beobachtungen der Mikrowellenstrahlung am Himmel – der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die aus der Zeit des Urknalls übrigblieb. Ursprünglich war das Universum eine heiße, dichte Feuerkugel. Aber im Laufe der 13,75 Milliarden Jahre seiner Existenz hat es sich wesentlich verdünnt und abgekühlt und diese viel kühlere Strahlung hinterlassen, die heute nur noch 2,7 Kelvin beträgt – nur wenige Grade Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Weitere Belege für die Urknalltheorie der Expansion lassen sich in detaillierten Untersuchungen zur Häufigkeit von Kernen finden, die während der frühen Entwicklung des Universums gebildet wurden, und in Messungen der Expansion des Universums selbst.
    Die zugrunde liegenden Gleichungen, die wir verwenden, um herauszufinden, wie sich das Universum entwickelt, sind die Gleichungen, die Einstein im frühen 20. Jahrhundert entwickelte und die uns sagen, wie man das Gravitationsfeld anhand einer gegebenen Verteilung von Materie oder Energie ableitet. Diese Gleichungen gelten für das Gravitationsfeld zwischen der Erde und der Sonne, aber sie gelten auch für das Universum als ganzes. In allen Fällen müssen wir die uns umgebende Materie und Energie